Was macht den menschlichen Körper zu einem Generator, indem er in der einen Sekunde stark schwitzt und in der nächsten Elektrizität erzeugt?

Das heiße Wetter in letzter Zeit ist wirklich heiß.

Sobald ich rausgehe, beginnt der Schweiß zu tropfen.

Die meisten Menschen befinden sich in einem Zustand, in dem sie „nicht zur Arbeit gehen wollen“ und „die Arbeit nicht verlassen wollen“.

(Weil es auf dem Weg zur und von der Arbeit heiß ist!)

Schweiß, auch Transpiration genannt, ist eine von Schweißdrüsen abgesonderte Flüssigkeit, die zu 98–99 % aus Wasser besteht. Höhere Tiere wie der Mensch schwitzen aufgrund hoher Außentemperaturen, intensiver körperlicher Betätigung oder nervöser Anspannung.

Als wahrnehmbares Schwitzen bezeichnet man das Schwitzen, das durch Wärmereize aufgrund erhöhter Außentemperatur oder gesteigerter Wärmeproduktion im Körper entsteht. Das Schwitzgebiet ist weitläufig verteilt und betrifft die Haut aller Körperteile, insbesondere Stirn, Hals, Vorder- und Rückseite des Rumpfes, Taille, Handrücken und Unterarme, gefolgt vom Hals, den Seiten des Rumpfes und den meisten Gliedmaßen sowie schließlich der Innenseite der Oberschenkel und den Achselhöhlen. Die Handflächen und Füße schwitzen am wenigsten. Darüber hinaus kann auch psychische Anspannung zu Schweißausbrüchen führen. Die Schweißzentren sind in verschiedenen Teilen des zentralen Nervensystems verteilt.

Schweiß hat die Funktion, den Körper abzukühlen, die Haut zu schützen und Abfallstoffe auszuscheiden. Allerdings verursachen überentwickelte Schweißdrüsen bei den Betroffenen oft Beschwerden: Klebrige, schweißdurchtränkte Kleidung ist nicht nur unangenehm, sondern kann auch einen „unangenehmen“ Geruch abgeben.

Aber wissen Sie es? Tatsächlich gibt es für salzigen Schweiß noch eine weitere wunderbare Verwendung: die Erzeugung von Elektrizität.

Das stimmt, es ist Elektrizität, die durch Schweiß (nicht durch Liebe) erzeugt wird.

Im vergangenen Jahr haben Forscher der National University of Singapore einen dünnen Film aus nanoabsorbierendem Material entwickelt, der Schweiß schnell von der Haut verdunsten lässt. Noch cleverer ist, dass es auch eine wasserbetriebene Stromerzeugungstechnologie nutzt, um Feuchtigkeit aus menschlichem Schweiß zu sammeln und damit tragbare elektronische Geräte wie Uhren und Fitness-Tracker mit Strom zu versorgen.

Nun gibt ein Forschungsteam der University of Massachusetts Amherst (UMass Amherst) bekannt, dass ihr neuer stromerzeugender Biofilm die Branche der tragbaren Elektronik revolutionieren wird, indem er persönliche medizinische Sensoren, persönliche elektronische Geräte und mehr langfristig und kontinuierlich mit Strom versorgt.

Die entsprechende Forschungsarbeit mit dem Titel „Microbial biofilms for electricity generation from water evaporation and power to wearables“ wurde im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.

Abbildung ｜ Der durch Biofilmelektrizität angetriebene Sensor dient zur Messung der beim Schlucken erzeugten mechanischen Signale.

„Das ist eine sehr spannende Technologie“, sagte Xiaomeng Liu, Doktorand der Elektro- und Computertechnik am College of Engineering der UMass Amherst und Hauptautor des Artikels. „Im Gegensatz zu anderer sogenannter ‚grüner Energie‘ ist dies wirklich grüne Energie.“

Der Studie zufolge wird der etwa blattpapierdicke Biofilm auf natürliche Weise von einem modifizierten Stamm des Bakteriums Geobacter sulfurreducens (G. sulfurreducens) produziert.

In früheren Studien wurde Geobacter sulfurreducens von Wissenschaftlern zur Stromerzeugung und auch in „mikrobiellen Batterien“ zur Stromversorgung elektrischer Geräte eingesetzt, benötigt aber dennoch die richtige Pflege und ständige „Fütterung“.

Im Gegensatz dazu kann dieser neue Biofilm nicht nur genauso viel oder sogar mehr Energie liefern wie eine Batterie gleicher Größe, sondern auch kontinuierlich arbeiten, ohne dass eine „Fütterung“ erforderlich ist.

„Dieser Biofilm ist viel effizienter“, sagte Derek Lovley, angesehener Professor für Mikrobiologie an der UMass Amherst und Co-Autor des Artikels. „Wir haben den Prozess der Stromerzeugung deutlich vereinfacht und den Prozess der Verarbeitung drastisch reduziert. Wir lassen Zellen kontinuierlich im Biofilm züchten und nutzen dann die Agglomeration der Zellen. Das reduziert den Energieaufwand, vereinfacht alles erheblich und erweitert die Anwendungsmöglichkeiten.“

Abbildung ｜ Aktuelles Foto (links) und schematische Darstellung (rechts) des neuen Biofilms

Was also ist das Prinzip hinter dem neuen Biofilm, der Feuchtigkeit auf der Haut von Organismen zur Energiegewinnung nutzt?

Zunächst wird Geobacter sulfurreducens in Kolonien gezüchtet, die wie dünne Matten aussehen, wobei jedes Individuum durch eine Reihe natürlicher Nanodrähte mit den anderen verbunden ist. Zweitens werden mit einem Laser kleine Schaltkreise in den Film geätzt. Anschließend wird der Film mit den eingeätzten Schaltkreisen zwischen Elektroden gelegt und in einem weichen, klebrigen und atmungsaktiven Polymer versiegelt. Schließlich wird Energie gesammelt und umgewandelt, um kleine Geräte mit Strom zu versorgen.

„Dies ist eine riesige, ungenutzte Energiequelle“, sagte Jun Yao, Professor für Elektro- und Computertechnik an der UMass Amherst und Co-Autor des Artikels.

Bei Hitze, insbesondere im heißen Sommer, ist unsere Hautoberfläche mit Schweiß überflutet und der neue Biofilm kann die durch die Verdunstung des Schweißes erzeugte Energie sammeln und umwandeln, um kleine Geräte mit Strom zu versorgen.

„Die Stromversorgung war schon immer einer der limitierenden Faktoren für tragbare Elektronik“, sagte Yao. „Batterien geben den Geist auf und müssen ersetzt oder wieder aufgeladen werden. Aber sie sind sperrig und unbequem.“ Dieser transparente, kleine, dünne und flexible Biofilm kann jedoch wie ein Pflaster direkt auf die Haut geklebt werden und erzeugt kontinuierlich stabilen Strom.

Abbildung | Integrierte Gerätearrays versorgen kleine LCD-Bildschirme mit Strom.

In zukünftigen Arbeiten plant das Forschungsteam, die Größe des Biofilms zu erhöhen, um komplexere, auf der Haut tragbare Elektronik mit Strom zu versorgen. „Unser nächster Schritt wird darin bestehen, die Größe des Films zu erhöhen, um komplexere, auf der Haut tragbare Elektronik oder sogar ganze elektronische Systeme statt einzelner Geräte mit Strom zu versorgen “, sagte das Forschungsteam.

Referenzlinks:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-32105-6